仿古建筑钢-混凝土双梁-柱节点力学性能.pdf

第 19 卷 第 3 期2024 年 3 月Vol.19 No.3Mar.2024中 国 科 技 论 文CHINA SCIENCEPAPER仿古建筑钢-混凝土双梁-柱节点力学性能董金爽1，公衍茹1，黄 斌1，隋 2（1.海南大学土木建筑工程学院，海口 570228；2.西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055）摘 要：针对仿古建筑双梁-柱节点力学性能较差的问题，将其与黏滞阻尼器相结合，形成附设黏滞阻尼器的仿古建筑双梁-柱节点。为研究该类型试件的力学性能，共设计4个节点试件，包括1个仿古建筑单梁-柱节点对比试件和3个典型仿古建筑双梁-柱节点试件，其中2个试件为设置黏滞阻尼器的试件，1个为未设置黏滞阻尼器的试件，进行正弦波荷载快速往复加载试验，分析加载全过程中试件的破坏特性、破坏模式及钢筋应变变化，并对其恢复力曲线、骨架曲线及承载力等力学性能指标进行分析。结果表明：附设黏滞阻尼器可显著改善双梁-柱节点的力学性能，试件滞回曲线更为饱满，双梁-柱节点的极限承载能力提升16.4%18.1%，延性系数提升13.5%15.0%，骨架曲线下降段更为平缓。关键词：仿古建筑；双梁-柱节点；黏滞阻尼器；破坏模式；力学性能中图分类号：TU398 文献标志码：A文章编号：2095-2783（2024）03-0266-09开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Mechanical performances of dual-lintel-column joint of steel and concrete in Chinese pseudo-classic architectureDONG Jinshuang1，GONG Yanru1，HUANG Bin1，SUI Yan2（1.College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228，China；2.School of Civil Engineering，Xi an University of Architecture&Technology，Xi an 710055，China）Abstract：Aiming at the poor seismic behavior of the di-dual-lintel-column joint of pseudo-classic architectures，a new kind of damping joint was developed by installing viscous dampers on the dual-lintel-column joints in traditional style architecture to enhance the anti-seismic property.In the study of the mechanical property，four specimens were tested under sin wave dynamic cyclic loading，including one lintel-column joint compared specimen and three di-dual-lintel-column joint，and two of them were joints with viscous damper，and one of them has no viscous damper installed and was for comparison.The whole process of failure characteristics，the failure mode，and the steel strain change law were analyzed.The mechanical properties such as the characteristic curve of restoring force，skeleton curve，and bearing capacity were analyzed.The results indicate that the mechanical behavior of pseudo-classic architecture di-dual-lintel-column joint with viscous damper are improved.The hysteretic curve of the damping joint is plumper，the ultimate bearing capacity of di-dual-lintel-column joint are increased by 16.4%-18.1%，and the displacement ductility are increased by 13.5%-15.0%.The descending phase of skeleton curves gets smoother.Keywords：Chinese pseudo-classic architecture；di-dual-lintel-column joint；viscous damper；failure mode；mechanical behavior中国木构架建筑体系作为与中华文明相伴相生的华夏文明重要组成部分，在世界建筑史上独树一帜，源远流长1。由于外界环境及人为因素对木结构的影响较大，幸存于世的古木结构数量稀少2-3。仿古建筑（又称传统风格建筑）是指采用钢材、混凝土等现代建筑材料营造外形与古木结构相似的一种建筑类型4，仿古建筑既传承了古木结构的建筑形体美，又避开了古木结构耐久性差的缺点，对旅游业及城市建设具有极大的经济价值。当前，国内外针对仿古建筑的研究多集中于其外观造型及施工技术5-8，而对其力学性能的研究相对滞后，且现行通用结构设计规范也未涉及仿古建筑的抗震构造措施等内容。谢启芳等9对混凝土仿古建筑双梁-柱节点试件进行了研究，结果表明，该类节点的延性系数及耗能系数较小，难以满足现行规范的要求。薛建阳等10-12就钢结构仿古建筑梁-柱节点、仿古结构钢框架及钢结构带枓栱檐柱的力学性能进行了深入研究，认为钢结构仿古建筑具有良好的抗震性能。王建省等13通过模拟地震对砖塔砌体的影响得到了古建砌体结构的抗震特点。李煜等14对山区复杂地形条件下高层塔式仿古建筑表面的风压分布和风场绕流特性进行了相关分收稿日期：2023-02-20基金项目：国家自然科学基金资助项目(52068019,51968020)；海南省自然科学基金资助项目(520RC544)第一作者：董金爽（1989），男，讲师，主要研究方向为钢-混凝土组合结构及仿古建筑抗震性能,董金爽，等：仿古建筑钢-混凝土双梁-柱节点力学性能第 3 期析，结果表明，在不同的地形条件下，建筑表面的风压分布具有较大差异性。隋等15针对附设黏滞阻尼器的钢结构仿古建筑节点进行了试验研究，结果表明，在节点部位合理设置阻尼器是提升仿古建筑力学性能的可行措施之一。Dong等16、Xue等17开展了一系列仿古建筑试验及理论研究，并通过不同的地震损伤模型对节点进行评估。王宗泽等18通过对某 3层中空楼阁仿古建筑进行模态分析，发现其符合一般建筑平动扭动规律，其结构形式在抗震上可行。上述研究成果均表明，仿古建筑由于形制特点限制，其梁-柱节点抗震性能较常规梁-柱节点较差，需对节点处采取一定的加强措施以提高其力学性能。鉴于此，为研究仿古建筑双梁-柱节点的力学性能，选取典型仿古建筑双梁-柱节点模型，并将其与黏滞阻尼器相结合，形成附设黏滞阻尼器的仿古建筑双梁-柱节点试件，对其施加快速反复荷载，分析加载全过程中试件的破坏特征及破坏模式，展开其力学性能指标分析，以期为仿古建筑的工程应用提供设计理论依据。1试验概况1.1典型双梁-柱节点构造形式与常规梁-柱节点相比，典型仿古建筑双梁-柱节点是指在水平受力构件中存在上梁及下梁的节点形式，如图1所示。与传统梁-柱节点相比，双梁-柱节点域的范围较大，二者的力学性能也存在显著差异。1.2试件设计试验共设计2组共计4个节点试件，其中，一组为1个单梁-柱节点对比试件（编号为BB-1）；另一组为3个双梁-柱节点试件，包括1个未附设黏滞阻尼器的双梁-柱节点试件（编号为BD-1）和2个附设黏滞阻尼器的双梁-柱节点（编号为BD-2和BD-3）。营造法式 中材份制规定各试件缩尺比为1 2.6，试件尺寸及构造如图 2 所示。钢材采用Q235B，壁厚为5.5 mm，钢筋力学性能见表1。采用C40 商混，其配合比见表 2。所有试件及预留混凝土试块均为同一批浇筑，且在相同条件下自然养护。由预留标准立方体试块测得该批商混立方体抗压强度标准值 fcu，k=43.1 MPa。各试件设计轴压比 n=0.25，轴压荷载根据实测棱柱体抗压强度标准值 fck确定。1.3加载方案试验加载装置如图3所示。试验加载全过程分为2步：1）通过柱顶千斤顶施加竖向轴心荷载至设计值；2）通过MTS电液伺服程控试验系统于柱顶侧施图1仿古建筑混凝土双梁-柱节点构造形式Fig.1Sketch of the di-dual-lintel-column joint图2试件尺寸及构造Fig.2Sketch and details of the specimens267第 19 卷 中 国 科 技 论 文加水平反复荷载。设置与实际工程相一致的边界条件，试件柱底设置成可自由转动的铰支座，双梁两端通过双梁连接器连接。试验采用快速施加正弦波作用的加载制度，通过控制加载位移及频率施加不同的工况，试验加载工况见表3，每工况下循环加载5圈，加载制度如图4所示。1.4黏滞阻尼器选型及安装考虑到试验采用快速反复加载制度，选用速度型黏滞阻尼器，如图5所示；铰支座安装如图6所示。其中试件 BD-2 两侧附设黏滞阻尼器 VD-1，试件BD-3两侧附设黏滞阻尼器VD-2。黏滞阻尼器参数见表4。1.5量测方案试验过程中，量测内容主要包括：1）节点域混凝表1钢材力学性能指标Table 1Mechanical performance index of steel型号/mm钢管钢筋t=5.581012屈服强度/MPa286.5273.5355.5350.1屈服应变/1061 4351 4681 3951 320极限强度/MPa463.3400.0596.5586.7弹性模量/GPa201206201196表2混凝土配合比Table 2Proportions of concrete mix强度等级C40水泥品种P O 42.5R配合比/（kg m3）水泥340中砂795细石969水166减水剂13.58图3试验加载装置Fig.3Test set-up表3试验加载工况Table 3Test loading condition工况123456加速度/（cm s2）50100150250350460控制位移/mm5811152740频率/Hz1.591.781.862.051.811.71工况789101112加速度/（cm s2）500570585600700800控制位移/mm53657788100115频率/Hz1.551.501.391.311.291.23图5黏滞阻尼器连接示意图Fig.5Installation drawing of viscous damper图4加载制度示意图Fig.4Sketch map of test loading mode图6铰支座安装示意图Fig.6Installation drawing of hinged connection268董金爽，等：仿古建筑钢-混凝土双梁-柱节点力学性能第 3 期土开裂及裂缝发展等破坏情况；2）节点域所布置箍筋应变发展；3）试件恢复力曲线。试件应变片布置如图7和图8所示。2试验加载过程及破坏模式2.1试件加载全过程对试件进行加载，分析各试件加载全过程的破坏特征及破坏模式。2.1.1试件BB-1试件BB-1破坏特征如图9所示。1）开裂阶段（控制位移15 mm）：试件随着控制位移的不断增大，逐渐出现细小裂缝，裂缝数量较少；恢复力曲线基本为线性关系，表明试件基本处于弹性阶段，刚度无显著退化。2）屈服阶段（27 mm控制位移53 mm）：随着控制位移的增大，试件裂缝逐渐扩展并伴有新裂缝的出现；恢复力曲线明显表现为非线性特性，卸载时有一定的残余变形，混凝土出现少量剥落。3）极限阶段（65 mm控制位移88 mm）：随着控制位移的增大，试件裂缝数量增多，宽度增大，梁与柱连接处出现裂缝；试件恢复力曲线中荷载的增速显著小于位移的增速，恢复力曲线包络的面积逐渐增大，耗能能力提升，残余变形较为显著，刚度及强度退化严重。4）破坏阶段（100 mm控制位移115 mm）：随着加载的进行，梁柱连接部位的混凝土已有大量剥落，上柱柱根混凝土被压碎，斜裂缝继续延伸，且宽度增大；此时极限荷载下降，推方向降至为87%，拉方向降至78%，终止试验。2.1.2试件BD-1试件BD-1破坏特征如图10所示。1）开裂阶段（控制位移15 mm）：试件恢复力曲线基本保持直线性质，卸载无显著残余变形，裂缝数量整体较少且大致平行，试件刚度无显著退化。2）屈服阶段（27 mm控制位移53 mm）：随着控制位移的增大，试件恢复力曲线出现拐点，说明试件已进入屈服阶段；卸载时有残余变形，刚度及强度有一定的退化。3）极限阶段（65 mm控制位移88 mm）：试件已呈现出较为显著的非线性特性，且残余变形较为表4黏滞阻尼器参数Table 4Parameter of viscous damper阻尼器编号VD-1VD-2阻尼器设计荷载/kN8050阻尼系数/（kN s m1）8860阻尼指数0.360.30设计位移（s）/mm3030图9试件BB-1破坏特征Fig.9Failure characteristics of BB-1specimen图7双梁-柱试件应变片布置Fig.7Arrangement of strain gauges for di-dual-lintel-column joint图8单梁-柱试件应变片布置Fig.8Arrangement of strain gauges for lintel-column joint269第 19 卷 中 国 科 技 论 文可观，刚度及强度退化显著，下梁与柱连接部位已有贯通裂缝出现。4）破坏阶段（100 mm控制位移115 mm）：试件承载能力下降较快，梁柱连接处混凝土有大量剥落，且有进一步扩大的趋势，可见内部纵筋；层间转角已达1/38，下梁与柱连接处形成机动体系，试件无法继续承载，试验结束。2.1.3试件BD-2以试件BD-2为例分析设置黏滞阻尼器试件的破坏全过程，其破坏特征如图11所示。1）开裂阶段（控制位移15 mm）：试件恢复力曲线呈现直线特性，卸载时无残余变形，裂缝整体上较小，长度较短，主要为细微裂缝。2）屈服阶段（27 mm控制位移53 mm）：试件恢复力曲线呈现显著的非线性特性，梁柱连接部位纵筋屈服，上柱柱根处产生约45斜裂缝，刚度及强度有一定的退化，但无混凝土剥落。3）极限阶段（65 mm控制位移88 mm）：试件恢复力曲线非线性特性更为显著，曲线包络面积继续增大，试件强度及刚度退化显著，残余变形较大，试件混凝土剥落严重。4）破坏阶段（100 mm控制位移115 mm）：当控制位移为100 mm时，核心区混凝土有压溃现象，压溃部位面积较大，深度约为1.0 cm，梁柱连接部位混凝土已大量剥落，箍筋及纵筋显著可见，加载过程中阻尼器最大阻尼力为30.7 kN，最小为-29.4 kN。试件最终因梁端破坏严重终止试验。2.2破坏模式分析对各试件加载破坏全过程分析可知：1）各试件加载全过程可划分为受力特点不同的 4个阶段，因下梁的存在，双梁-柱节点加载全过程的受力特点和破坏特征与单梁-柱节点有一定的差异。2）加载初期，试件恢复力曲线基本呈现直线特性，卸载时无显著残余变形，曲线包络面积较小，试件耗能能力较弱，能量耗散中弹性应变能占比较大；随着控制位移的不断增大，试件裂缝逐渐增多、增图10试件BD-1破坏特征Fig.10Failure characteristics of BD-1 specimen图11试件BD-2破坏特征Fig.11Failure characteristics of BD-2 specimen270董金爽，等：仿古建筑钢-混凝土双梁-柱节点力学性能第 3 期宽，混凝土出现一定的剥落现象；试件恢复力曲线呈现出显著的非线性特性，卸载时存在显著的残余变形，刚度和强度有不同程度的退化，试件累积损伤不断增大且不可逆。3）相比于未设置阻尼器的双梁节点，设置黏滞阻尼器后，双梁节点的抗裂性能略有提升，耗能能力及承载能力有不同程度的提高；试件最终破坏特征满足梁铰破坏机制。3试验结果与分析3.1试件应变分析各试件应变测点的应变随控制位移的变化曲线如图12所示，其中，各试件的每个测点应变值取每工况下第1圈加载时应变值的最大绝对值。由图12可知：1）控制位移较小时，各测点应变值基本相等，试件基本处于弹性阶段；随着控制位移的增大，试件开裂后，各测点应变值快速增大；进入破坏阶段后，试件各测点应变随控制位移变化曲线的斜率逐渐向位移轴倾斜，表明应变增速减缓，应变曲线斜率经历了先增大后减小的过程，这是由于试件进入破坏阶段后累积损伤逐渐增大、试件进入塑性阶段所致。2）试件破坏时核心区箍筋及纵筋的应变均远超其屈服应变，箍筋应变值约为3 200，箍筋应变值小于纵筋应变值，表明试件破坏特征符合梁铰破坏模式，由此也说明试件设计达到了满足“强柱弱梁”的预期目标。3.2恢复力曲线恢复力曲线（荷载（P）-位移（）曲线）是结构（构件）抗震性能的综合体现。将各试件每工况下第1圈的P-曲线提取到同一张图中，由此采集到的试件恢复力曲线如图13所示。1）加载初期（控制位移15 mm），各试件恢复力曲线包络面积均较小，卸载后无显著的残余变形，刚度及强度无明显衰减，试件耗能能力较低，试件基本无累积损伤。2）随着控制位移的不断增大（27 mm控制位移65 mm），各试件恢复力曲线包络面积逐渐增大，且变得更为饱满，恢复力与位移非线性性质显著体现，曲线斜率逐渐向位移轴倾斜，试件的刚度及强度表现出显著的退化和衰减，试件处于弹塑性和塑性阶段。该阶段，试件耗能能力显著提升，且主要以不可恢复的弹塑性或塑性应变能为主。3）加载后期（77 mm控制位移115 mm），各试件恢复力曲线包络面积继续增加，恢复力与位移的斜率继续向位移轴倾斜，表明试件刚度及强度退化更显著，试件承载力达到峰值荷载后开始降低。总体上，双梁节点的承载能力高于常规梁-柱节点，设置阻尼器的双梁试件优于未设置阻尼器的试件。3.3骨架曲线各试件恢复力曲线的外包线形成的骨架曲线如图14所示。对比分析可知：1）仿古建筑双梁-柱节点具有明显优于常规梁-柱节点的承载能力，这也表明将具有较高承载力的图12试件应变随控制位移变化曲线Fig.12Specimen strain varies curve with control displacement271第 19 卷 中 国 科 技 论 文双梁-柱节点设置于仿古建筑外围可显著改善仿古建筑受力性能。双梁-柱节点构造形式通常是环绕建筑一周，其效应可类似于圈梁或围箍作用，将内部结构紧紧包围在双梁-柱形成的柱网系统中，从而确保结构具有良好的抗震性能。2）设置黏滞阻尼器的双梁-柱节点试件的承载能力明显高于未设置阻尼器的试件，且设置黏滞阻尼器后试件的骨架曲线下降更为平缓，显示了黏滞阻尼器对双梁-柱节点力学性能的改善作用。此外，不同型号的黏滞阻尼器对试件承载能力及延性等抗震性能的提升程度不同。3）各试件的骨架曲线在试件开裂前基本重合，表明试件开裂前的刚度基本一致，也由此说明了设置黏滞阻尼器对试件抗裂性能的提升程度有限。当试件变形较大时，黏滞阻尼器发挥了良好的协同工作效应，由此体现了黏滞阻尼器与仿古建筑相结合的新型结构形式更适于抗震设防烈度较高地区。3.4承载能力及延性分析位移延性系数表达式为=u/y，其中，u为破坏位移，y为屈服位移（由Park法19确定）。试件特征点荷载及位移见表5，各试件层间位移角及位移延性系数计算结果见表6，层间位移角（）定义为特征点位移与层高的比值，y、m分别为试件屈服及破坏时的层间位移角。对比分析表5、表6，可知：1）相比于试件BD-1，试件BD-2、BD-3各荷载特征值均有不同程度的提升。对于开裂荷载，试件BD-2、BD-3的提升幅度分别为11.5%、8.8%；对于屈服荷载，提升幅度分别为27.5%、48.7%；对于极限荷载，提升幅度分别为16.4%、18.1%。表明设置黏滞阻尼器可显著提升仿古建筑双梁-柱节点的承载能力，且对于屈服荷载及极限荷载的提升幅度更为显著，由此弥补了仿古建筑不满足现行规范要求的缺点。设置黏滞阻尼器后双梁-柱节点的围箍效应更为显著，整体性能得到进一步增强，为仿古建筑在高烈度地区的应用推广提供了科学依据。图14骨架曲线Fig.14Skeleton curves of P-图13恢复力曲线Fig.13Hysteretic loops of P-272董金爽，等：仿古建筑钢-混凝土双梁-柱节点力学性能第 3 期2）相比于单梁-柱节点试件BB-1，双梁-柱节点试件BD-1的开裂荷载、屈服荷载及极限荷载增幅分别为 16.5%、35.7%、47.1%，表明双梁-柱节点由于双梁的存在，可较大幅度地提升结构的承载能力及刚度。从双梁-柱节点试件的破坏全过程得知，双梁-柱节点试件由于下梁的存在，结构在受荷过程中会产生不协调变形，导致下梁破坏程度大于上梁。3）对于双梁-柱节点试件，BD-2、BD-3的延性系数较 BD-1 分别提高了 15.0%、13.5%；由此说明设置黏滞阻尼器可在一定程度上改善双梁-柱节点上下梁变形不协调的缺陷，使得其延性性能得到提升。在实际工程中，对于高烈度地区在外围檐柱节点处设置黏滞阻尼器可有效提升仿古建筑变形性能。4结 论1）快速循环荷载作用下，仿古建筑双梁-柱节点为梁铰破坏机制；设置黏滞阻尼器可显著提升双梁-柱节点力学性能，改善结构的变形性能。设置黏滞阻尼器后，双梁-柱节点的极限承载能力提升16.4%18.1%，延性系数提升 13.5%15.0%，骨架曲线下降段更为平缓。整体上，节点力学性能得到有效改善，2）附设黏滞阻尼器型号不同，对仿古建筑双梁-柱节点力学性能的影响程度存在差异。整体上，黏滞阻尼器对屈服荷载及极限荷载的影响程度远大于对开裂荷载的影响。实际工程中应根据工程特点确定适合的黏滞阻尼器设计参数。（由于印刷关系，查阅本文电子版请登录：http: 梁思成.为什么研究中国建筑 J.建筑学报，1986，33（9）：3-7，82.LIANG S C.Significance of research on Chinese architecture J.Architectural Journal，1986，33（9）：3-7，82.（in Chinese）2 LIN Y J，CHUN Q，ZHANG C W，et al.Research on seismic performance of traditional Chinese hall-style timber buildings in the Song and Yuan dynasties（960-1368 AD）：a case study of the main hall of Baoguo Temple J.Journal of Wood Science，2022，68（1）：1-25.3 PAN L L，ZHOU M，ZHUANG H Y，et al.Construction forms and 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specimen试件编号BD-1BD-2BD-3BB-1cr/mm7.97.87.87.87.07.97.67.9y/mm28.324.229.825.226.326.819.022.4m/mm68.170.782.484.475.784.858.870.9y1/941/1101/891/1051/1011/991/1391/118m1/391/371/321/311/351/311/451/372.412.922.773.352.883.163.093.17 2.663.063.023.13273第 19 卷 中 国 科 技 论 文XIA M L.On the concrete application of antique architecture in garden landscape J.Environmental Engineering，2021，39（7）：I0070.（in Chinese）6 刘彦彬.中华麒麟阁主楼仿古建筑结构设计 J.建筑结构，2022，52（S1）：247-250.LIU Y B.Structural design of the main building of China Kylin Pavilion J.Building Structure，2022，52（S1）：247-250.（in Chinese）7 KIM C，KIM K S.Research on the application cases and characteristics of Chinese traditional style in modern architecture：focusing on Hui-style architecture J.Korean Institute of Interior Design Journal，2018，27（6）：41-48.8 彭洁.地域文化特色的仿古建筑设计云南茶文化大观园 J.建筑结构，2021，51（6）：145-146.PENG J.Antique architectural design with regional cultural characteristicsYunnan tea culture grand view garden J.Building 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